Reconstitution of synaptic plasticity in vitro

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K06885
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 46010:Neuroscience-general-related
• Research Institution: Nagoya University (2020-2021); Kyoto University (2019)
• Principal Investigator: HOSOKAWA TOMOHISA 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (30602883)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: シナプス可塑性 / シナプス / 液－液相分離 / 受容体 / 記憶

Outline of Final Research Achievements

In this study, we examined the hypothesis that CaMKII has a role to crosslink postsynaptic proteins to stabilize on postsynaptic density, like a “hub”. In 2018, Hong Kong university of Science and Technology (HKUST) reported that the postsynaptic density is the highly dynamic condensate of postsynaptic proteins via liquid-liquid phase separation (LLPS). We focused on the possibility that CaMKII undergoes LLPS to form protein condensate and started a collaboration with HKUST. We revealed that excitatory stimulation triggers the activation of CaMKII and the sustained formation of protein condensate with GluN2B via LLPS. Furthermore, the formation of protein condensate on postsynaptic density resulted in the modulation of nano-scale localization of postsynaptic proteins such as stargazin. This result demonstrates a novel mechanism of synaptic plasticity and memory formation.

Free Research Field

神経科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本課題では代表的なシナプスタンパク質CaMKIIの新たな役割を同定した。これまでその高すぎる発現量や必要性の不明な12量体構造が長らく議論の対象となってきたが、我々の発見した新たな役割、すなわち液－液相分離により蛋白質を凝縮する役割によってこれらの必然性を合理的に説明できるようになった。この凝縮により伝達物質受容体のナノスケール局在が調節されており、効率的な情報伝達を実現している。このことはシナプス可塑性と記憶形成の新たなメカニズムを示唆している。また凝縮の促進または抑制によって神経疾患への医学的応用が期待される。この成果は2021年のNature Neuroscienceに発表した。